放大电路的基本原理和分析方法.ppt

第2章放大电路的基本原理和分析方法 本章教学内容 2 1放大的概念2 2放大电路的主要技术指标2 3单管共发射极放大电路2 4放大电路的基本分析方法2 5静态工作点的稳定问题2 6三极管放大电路的三种基本组态2 7场效应管放大电路2 8多级放大电路 2 1放大的概念 放大的基本要求 不失真 放大的前提放大的本质 能量的控制放大的对象 变化量放大的核心元件 三极管和场效应管 电信号 足够强电信号 微弱 强得多 放大倍数放大电路输出信号与输入信号的比值 信号源 内阻 输入电压 输入电流 输出电压 输出电流 2 2放大电路的主要技术指标 输入电阻 从输入端看进去的等效电阻 输入电阻越大越好 衡量放大电路从信号源获取电流大小的参数 输出电阻 将输出等效成有内阻的电压源 内阻就是输出电阻 空载时输出电压有效值 带RL时的输出电压有效值 输出电阻越小 带负载能力愈强 通频带 下限频率 上限频率 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力 最大输出幅度 非线性失真系数 所有的谐波总量与基波成分之比 无明显失真的最大输出电压 或电流 一般指有效值 以Uom 或Iom 表示 最大输出功率与效率 最大输出功率Pom 在输出信号不失真的情况下 负载上能够获得的最大功率 效率 最大输出功率Pom与电源消耗的功率PV之比 2 3单管共发射极放大电路 共发射极放大电路的组成 晶体管 起放大作用的核心元件 Rc 将变化的电流 iC转变为变化的电压 uCE uo Rb VBB 使发射结正偏 并提供合适的静态基极电流IB VCC 为输出信号提供能量 并与Rc一起保证集电结反偏 放大电路的工作原理 UBE UCE VCC RCIC 静态工作点Q UBEQ IBQ ICQ UCEQ 当ui 0 ui uBE UBEQ ube iB IBQ ib ic ib uCE UCEQ uce uo uce UCEQ VCC RCICQ iC ICQ ic uce RL RCic 当ui 0 ib ic uce 反相放大 放大电路的工作波形 放大电路的组成原则 静态工作点合适 合适的直流电源 合适的电路参数 动态信号能够作用于晶体管的输入回路 在负载上能够获得放大了的动态信号 对实用放大电路的要求 共地 直流电源种类尽可能少 负载上无直流分量 问题 两种电源信号源与放大电路不 共地 将两个电源合二为一 有直流分量 有交流损失 2 4放大电路的基本分析方法 静态工作点Q分析 动态参数分析 IBQ ICQ UCEQ UBEQ Au Ri Ro 估算法 图解法 微变等效电路法 图解法 直流通路与交流通路 直流通路 在直流电源作用下直流电流流经的通路 电容开路 电感短路 信号源短路 交流通路 在输入交流信号的作用下 交流信号流经的通路 大电容短路 直流电源短路 静态工作点的近似估算 晶体管的静态等效电路 放大状态 放大电路静态等效电路 近似条件 UBE 0 7V 硅管 或0 3V 锗管 近似估算 检验晶体管是否处于放大状态 思考 如果BJT处于饱和区 如何调节使电路处于放大状态 IBQRb UBEQ VCC IBQ ICQ ICQRc UCEQ VCC 根据KVL 再次根据KVL 图解法 把输入输出回路分开处理 画出直流通路 列输入回路方程 列输出回路方程 UBE UCC IBRB UCE UCC ICRC 静态工作点的分析 输入回路分析 UBEQ IBQ 输入特性曲线 输入回路直流负载线 输出回路分析 IBQ UCEQ ICQ 输出特性曲线 静态工作点 静态工作点 输出回路直流负载线 UBE UCC IBRB UCE UCC ICRC 由于输入特性不易准确测得 一般用估算法求IBQ和UBEQ 图示单管共射放大电路及特性曲线中 已知Rb 280k Rc 3k 集电极直流电源VCC 12V 试用图解法确定静态工作点 解 首先估算IBQ 输出回路方程UCE VCC ICRc IB 例 0 iB 0 A 20 A 40 A 60 A 80 A 1 3 4 2 2 4 6 8 10 12 M IBQ 40 A ICQ 2mA UCEQ 6V uCE V 由Q点确定静态工作点为 iC mA UCE 12 3IC 电压放大倍数的分析 交流负载线 直流负载线 输入回路工作情况分析 输出回路工作情况分析 图解法的步骤 画输出回路的直流负载线估算IBQ 确定Q点 得到ICQ和UCEQ画交流负载线求电压放大倍数 图解法的应用 分析非线性失真 由于静态工作点Q过低 引起iB iC uCE的波形失真 iB ui 截止失真 截止失真是在输入回路首先产生失真 顶部失真 uo uce O IB 0 Q t O O t iC uCE V uCE V iC mA uo uce ib 不失真 ICQ UCEQ Q点过高 引起iC uCE的波形失真 底部失真 饱和失真 估算最大输出幅度 Q尽量设在线段AB的中点 分析电路参数对静态工作点的影响 Q1 Q2 VCC Rb1 Rb2 Q1 Q2 VCC Rc2 Rc1 增大Rc Q点向饱和区靠近 增大Rb Q点向截止区靠近 Q1 Q2 VCC 2 1 Q1 Q2 VCC2 VCC2 VCC1 VCC1 VCC升高时 Q点移向右上方 Uom增大 三极管静态功耗也增大 增大时 输出特性曲线上移 Q点移近饱和区 图解法的特点 形象 直观 适应于Q点分析 放大倍数分析 失真分析 最大不失真输出电压的分析 能够用于大信号分析 要求实测晶体管的输入 输出曲线 定量分析的误差较大 不能求解输入电阻 输出电阻 频带等参数 直流负载线 交流负载线 微变等效电路法 适用条件 微小交流工作信号 三极管工作在线性区 解决问题 处理三极管的非线性问题 输入回路 uBE 对输入的小交流信号而言 三极管相当于电阻rbe 晶体管的等效电路 利用PN结的电流方程可求得 基区体电阻 发射结电阻 发射区体电阻 查阅手册 rbb 基区体电阻 常取300 UT 温度电压当量 常温 27 C UT 26mV 小功率三极管 输出回路 三极管输出端可以等效为一个受控电流源 iC iB 等效电路 rbe uBE iC iB uCE iB e c b 动态参数分析 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 等效电路法的步骤 确定放大电路的静态工作点Q 根据定义列出电路方程并求解 画出放大电路的微变等效电路 求出Q点处的 和rbe 估算法 交流通路 微变等效电路 分析下图所示接有射极电阻的单管放大电路 例 引入发射极电阻后 降低了 若满足 1 Re rbe 与三极管的参数 rbe无关 其中RL Rc RL 放大倍数 输入电阻 引入Re后 输入电阻增大 输出电阻 图示放大电路中 50 1 试估算放大电路的静态工作点 2 画出微变等效电路 3 求电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 例 解 直流通路如图所示 IBQRb UBEQ IEQRe VCC ICQ IBQ 50 0 04mA 2mA IEQ UCEQ VCC ICQRc IEQRe 12 2 3 0 82 V 4 36V Ri rbe 1 Re Rb 36 3k Ro Rc 3k 微变等效电路如图所示 微变等效电路法的特点 简单方便 适应分析任何基本工作在线性范围的简单或复杂的电路 只能解决交流分量的计算问题 不能分析非线性失真 不能分析最大输出幅度 静态工作点稳定的必要性 2 5静态工作点的稳定问题 必要性 决定放大电路是否产生失真 影响电压放大倍数 输入电阻等动态参数 静态工作点的不稳定 将导致动态参数不稳定 甚至使放大电路无法正常工作 影响静态工作点稳定的因素 电源电压波动 元件老化 环境温度变化 温度对静态工作点的影响 T 20 C T 50 C 工作点向饱和区移动 Q点稳定 是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变 这是靠IBQ的变化得来的 分压式偏置电路 分压式偏置电路 分压式偏置电路组成 RB2 CE RE VB RE射极直流负反馈电阻 旁路电容 在交流通路中可视为短路 稳定静态工作点的原理 固定VB VB不受温度变化的影响 取适当的VB 使VB UBE I2 5 10 IB VB 5 10 UBE IE VB一定 稳定过程 维持不变 RE的作用 采样 直流负反馈 静态分析 动态分析 其中 旁路电容CE不影响放大电路的电压放大倍数 若去掉CE 如图所示 VCC 12V Rb1 5k Rb2 15k Re 2 3k Rc 5 1k RL 5 1k 50 UBEQ 0 7V 1 估算静态工作点Q 2 分别求有 无Ce时的Au和Ri 例 解 1 静态工作点 2 求Au和Ri 当有Ce时 当无Ce时 可以看出 当无Ce时 电压放大倍数很低 2 6三极管放大电路的三种基本组态 基本组态 共射组态CE 共集组态CC 共基组态CB 共集电极放大电路 电路组成 集电极交流接地 共集电极电路发射极输出 射极输出器 静态分析 UCC IBQRB UBEQ IEQRE IBQRB UBEQ 1 IBQRE IBQ RB 1 RE UBEQ 动态分析 电压放大倍数 输入电阻 非常高 输出电阻 信号源内阻 非常低 射极输出器的特点 输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 电压放大倍数 1 输入电阻很大 从信号源取得的信号大 输出电阻很小 带负载能力强 所谓带负载能力强 是指当负载变化时 放大倍数基本不变 射极输出器的用途 将射极输出器放在电路的首级 可以提高放大器的输入电阻 减少对前级的影响 将射极输出器放在电路的末级 可以降低放大器的输出电阻 提高带负载能力 将射极输出器放在电路的两级之间 可以起到电路的阻抗变换作用 这一级称为缓冲级或中间隔离级 静态工作点分析 动态分析 共基极放大电路 电路组成 VEE 保证发射结正偏 VCC 保证集电结反偏 原理电路 实际电路 静态分析 动态分析 具有电压放大作用 没有倒相作用 电压放大倍数 输入电阻 如不考虑Re的作用 如考虑Re的作用 输出电阻 如不考虑Rc的作用 Ro rcb 如考虑Rc的作用 Ro Rc rcb Rc 三种基本组态的比较 频率响应 大Rc 小 高Rc 小 几欧 几十欧 大 几十千欧以上 中 几百欧 几千欧 rbe 组态 性能 共射组态 共集组态 共基组态 差 较好 好 应用 低频电压放大 多级放大的输入级和输出级 宽频带放大电路 2 7场效应管放大电路 场效应管的特点 场效应管是电压控制元件 栅极几乎不取用电流 输入电阻非常高 一种极性的载流子导电 噪声小 受外界温度及辐射影响小 制造工艺简单 有利于大规模集成 存放管子应将栅源极短路 焊接时烙铁外壳应接地良好 防止漏电击穿管子 跨导较小 电压放大倍数一般比三极管低 N沟道增强型MOS场效应管组成的放大电路为例 共源极放大电路 电路组成 工作在恒流区实现放大作用 开启电压 静态分析 UGSQ IDQ UDSQ 近似估算法 ui 0 UGSQ VGG 恒流区 转移特性为 式中IDO为uGS 2UGS th 时的值 图解法 uDS VDD iDRD 输出电压方程 UGSQ VGG Q UDSQ VDD IDQ 直流负载线 UGSQ 动态分析 微变等效电路 对于正弦信号 iD的全微分为 gm 跨导 毫西门子mS 0 1 20mS rDS 漏源之间等效电阻 几百千欧 若RD rDS rDS可视为开路 参数gm求法 用求导的方法计算gm 在Q点附近 可用IDQ表示上式中iD 则 动态参数计算 Ro RD 思考 输入电阻多大 分压 自偏压式共源放大电路 电路组成 提高放大电路的输入电阻 稳定静态工作点 VG 静态分析 近似估算法 UDSQ VDD IDQ RD RS 图解法 Q IDQ UGSQ VG uDS VDD iD RD RS UDSQ VDD Q IDQ UGSQ 动态分析 基本共漏放大电路 电路组成 源极输出器 静态分析 VG UDSQ VDD IDQRS 动态分析 源极跟随器 Ri RG R1 R2 d 2 8多级放大电路 为获得足够大的放大倍数 需将单级放大器串接 组成多级放大器 级间耦合 多级放大电路的耦合方式 变压器耦合 光电耦合 阻容耦合 直接耦合 阻容耦合 优点 各级Q点相互独立 便于分析 设计和调试 缺点 低频特性差 不便于集成化 直接耦合 优点 放大交流和直流信号 低频特性好 便于集成 缺点 各级Q点相互影响 零点漂移较严重 临近饱和区 合适静态工作点的解决方法 降低电压放大倍数 用二极管代替Re2 发射极接一电阻Re2 VB2 提高VB2 动态电阻小 对放大倍数影响小 用稳压管代替二极管 使稳压管工作在稳压的范围里 后级集电极的有效电压变化范围减小 级数增多 集电极电位上升 Vcc将无法承受 新的问题 可降低第二级的集电极电位 又不损失放大倍数 稳压管噪声较大 采用NPN PNP耦合方式 实现电平移动 利用PNP管集电极电位比基极电位低的特点可获得合适的合适的Q点 例 图示两级直接耦合放大电路中 已知 Rb1 240k Rc1 3 9k Rc2 500 稳压管VDz的工作电压UZ 4V 三极管T1的 1 45 T2的 2 40 VCC 24V 试计算各级静态工作点 如ICQ1由于温度的升高而增加1 计算静态输出电压的变化 解 设UBEQ1 UBEQ2 0 7V 则UCQ1 UBEQ2 Uz 4 7V ICQ1 1IBQ1 4 5mA IBQ2 IRc1 ICQ1 4 95 4 5 mA 0 45mA ICQ2 2IBQ2 40 0 45 mA 18mA Uo UCQ2 VCC ICQ2RC2 24 18 0 5 V 15V UCEQ2 UCQ2 UEQ2 15 4 V 11V 当ICQ1增加1 时 即 ICQ1 4 5 1 01 mA 4 545mA IBQ2 4 95 4 545 mA 0 405mA ICQ2 40 0 405 mA 16 2mA Uo UCQ2 24 16 2 0 5 V 15 9V 比原来升高了0 9V 约升高6 零点漂移 零点漂移 当输入信号为零时 输出电压不保持恒定 而是在某个范围随时间 温度不断地缓慢变化 称这种现象为零点